Os nanocristais tornaram-se uma parte importante da ciência moderna dos materiais, os pontos quânticos ajudam a inspirá-la Prêmio Nobel de Química de 2023. No entanto, apesar do seu enorme potencial, os investigadores só conseguiram produzir estes cristais microscópicos a partir de uma gama relativamente estreita de materiais.
Agora, químicos da Universidade de Chicago e do Laboratório Nacional de Argonne desenvolveram um método para produzir nanocristais a partir de nitretos metálicos, um grupo de materiais tecnologicamente importante que resistiu à síntese tradicional de nanocristais. O estudo, publicado em Natureza, Isso poderia expandir as possibilidades para a eletrónica e outras aplicações, incluindo iluminação flexível e implantes médicos.
“Conseguimos mostrar como fazer uma série de quase uma dúzia de materiais que não podem ser sintetizados por métodos convencionais”, disse Ruiming Lin, estudante de graduação na UChicago e primeiro autor do novo artigo.
Desbloqueando nanocristais de nitreto metálico
Os nitretos metálicos já são amplamente utilizados em tecnologia e fabricação. O nitreto de gálio, por exemplo, é encontrado em grande parte da tecnologia de iluminação atual, desde lâmpadas LED até telas de laptop.
A transformação desses materiais em nanocristais poderia expandir enormemente as formas como eles podem ser usados. Em vez de se limitarem principalmente a filmes rígidos, os nanocristais de nitreto metálico poderiam eventualmente ser misturados em polímeros, impressos com técnicas de jato de tinta ou incorporados em tecidos e outros dispositivos flexíveis.
“Isso expande os limites do campo além das restrições anteriormente fundamentais e estabelece as bases para o uso de nitretos como nanomateriais”, disse Dmitry Talapin, cientista de Argonne e autor sênior do artigo, Ernest DeWitt Burton Distinguished Service Professor of Chemistry and Molecular Engineering na UChicago.
Por que os nanocristais são tão úteis?
Os nanocristais são cristais extremamente pequenos, com milhões ou até bilhões de cristais capazes de caber em uma unha. Os materiais nesta escala podem comportar-se de forma muito diferente, por vezes produzindo luz mais brilhante ou tornando-se particularmente eficazes na aceleração de reações químicas.
Em teoria, os cientistas deveriam ser capazes de criar nanocristais a partir de uma ampla variedade de materiais. No entanto, na prática, muitos materiais revelaram-se difíceis ou impossíveis de criar nesta forma.
Lin e outros pesquisadores do laboratório de Talapin tentaram superar essas limitações.
Sua atenção se voltou para os nitretos metálicos, compostos formados quando os metais se combinam com o nitrogênio. Como grupo, esses materiais são fortes, biocompatíveis e resistentes ao calor e à corrosão.
Essas propriedades tornam os nitretos metálicos valiosos para aplicações como eletrônicos de consumo. Mas a mesma estabilidade que os torna úteis também os torna extremamente difíceis de transformar em nanocristais.
Laços fortes representam um grande desafio
À medida que os cristais crescem, os seus iões precisam de liberdade suficiente para se reorganizarem antes de se estabelecerem nas suas posições finais. Este processo é um pouco semelhante à troca de lugares dos parceiros durante uma quadrilha. No entanto, em nitretos metálicos, as ligações são tão fortes que os íons são muito menos propensos a se reorganizarem.
“Se as ligações não puderem ser quebradas durante este processo, será uma sentença de morte para o nanocristal”, disse Talapin. “Depois que você estabelece o vínculo errado, tudo dá errado.”
Segundo os pesquisadores, são necessários dois grandes avanços para solucionar o problema.
Primeiro, o laboratório Talpin baseou-se numa descoberta anterior que mostrou que o sal fundido poderia ser usado como meio líquido no processo, ajudando a estabilizar os nanocristais.
Os pesquisadores continuaram testando diferentes condições até identificarem o “ponto ideal” associado à temperatura e à pressão da amônia. Nessas condições, as ligações entre os átomos de metal e de nitrogênio podem ser quebradas e reformadas mais facilmente, permitindo que a estrutura cristalina se organize adequadamente.
“Este processo é muito incomum – vai contra todo o bom senso na área”, disse Talapin. “Tivemos que repensar completamente a abordagem.”
Quase uma dúzia de novos materiais nanocristais
Este método funciona com muito mais do que nitreto de gálio. A equipe também preparou nanocristais a partir de vários materiais nitretos relacionados, incluindo nitreto de titânio, que é usado em implantes médicos; nitreto de nióbio, um importante supercondutor industrial; e nitreto de molibdênio, que é comumente usado como catalisador.
Esses materiais são úteis e relativamente baratos. Os investigadores esperam que a sua conversão em nanocristais permita a sua utilização numa gama ainda mais ampla de tecnologias.
“Lembro-me da primeira vez que olhei através de um microscópio eletrônico e vi aqueles cristais”, disse Lin. “Você sempre espera que algo que você invente encontre aplicações. Acho que terá muitos usos.”
Outros autores da UChicago incluem Ningxin Jiang, Wuje Chou, Zirui Zhou, Di Wang, Justin Ondry, Jehan Mi, James Cassidy, Alex Hinckley, Alexander Filatov e John S. Anderson.
Os cientistas usaram recursos do Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da National Science Foundation na UChicago; Instalação de caracterização de matéria mole da UChicago; e Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne.
Financiamento: Departamento de Energia dos EUA, Samsung QD Cluster Collaboration, National Science Foundation, Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.
